电动汽车磁场与电场混合耦合型无线电能传输技术综述

磁场与电场混合耦合无线电能传输技术是一种结合电场耦合以及磁场耦合实现无线电能传输的技术,具有空间结构紧凑和抗偏移能力强等优点,能够弥补传统电动汽车无线充电系统抗偏移性能差和功率密度低的缺点。首先以磁场耦合式与电场耦合式无线电能传输技术为切入点,阐明各自的工作原理、技术优势及缺陷不足,介绍磁场与电场混合耦合型无线电能传输技术的发展背景;其次针对电动汽车无线充电的应用,从耦合机构、补偿网络、电力电子变换器及其控制策略、传输水平对国内外研究现状展开论述;最后指出目前亟待解决的问题以及未来的发展趋势。     

电动汽车无线充电技术研究综述

电动汽车的出现有利于缓解地球能源危机,而无线充电是电动汽车充电技术的发展方向。首先介绍了国内外无线电能传输技术的现状,其次阐述了电磁感应、磁耦合谐振、微波3种方式用于电动汽车无线充电时的原理,而后引出无线充电技术在国内外电动汽车上的实际应用情况,最后对于目前存在的部分不足之处提出改进方向。     

互操作电动汽车无线充电系统设计方法

电动汽车无线充电的互操作性是指同一发射端可以匹配不同离地间隙、不同充电功率等级的电动汽车接收端进行安全高效的无线充电。国家标准对电动汽车无线充电的互操作性给出了解释和示范,但如何在不同间隙级别、不同功率等级和不同偏移位置下均实现最优的功率传输效率,是互操作设计的一个难题。针对双边LCC电动汽车无线充电系统,以电动汽车无线充电系统标准GB/T38755.1为参考,提出一个满足工程应用需求的互操作无线充电系统优化设计方法。在满足电感量要求下,优化发射线圈表面磁场辐射的均匀度,以效率为目标优化不同间隙与不同功率等级的接收线圈及其补偿参数。制作了一个满足互操作性的11 kW发射线圈与9个不同充电气隙和功率等级的接收线圈,对设计方法进行了实验验证。     

电动汽车无线充电电磁环境安全性研究

近年来,无线电能传输技术的应用越来越广泛,其中一个主要应用就是在电动汽车无线充电方面。为有效评估人体在电动汽车无线充电电磁环境下的安全性,利用基于有限元法的三维电磁仿真软件,构建电动汽车无线充电电磁辐射下的人体电磁环境模型,研究人体主要器官的电磁暴露问题。结果表明:不同的组织器官由于其电磁参数不同而对电磁波有不同的吸收,其中电流密度最大值为20.058m A·m-2,功率密度最大值为1.22×10-5W·m-2,比吸收率最大值为4.37×10-7W·kg-1,皆低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)导则的安全限值,这说明人体在此电磁环境下基本是安全的。     

检测线圈不完全补偿电动汽车无线充电系统无盲区金属异物检测技术

针对目前电动汽车无线充电系统金属异物检测技术存在检测盲区、检测灵敏度较低等不足,提出一种检测线圈不完全补偿电动汽车无线充电系统无盲区金属异物检测方法。在电动汽车无线充电系统的发射线圈上方设计A₁—A₁₆、B₁—B₁₆和C₁—C₄两种检测线圈组,A_n、B_n按照中心对称原则组成16个全区异物检测线圈组,C₁—C₄组成2个盲区异物检测线圈组,通过判别检测线圈组的差分异物检测电路输出电压大小来确定金属异物是否存在。论文首先分析电动汽车无线充电系统无盲区金属异物检测线圈的结构和原理;接着,通过优化检测线圈的不完全补偿电路参数来提高检测灵敏度;然后,采用同相放大、带通滤波和差分放大等有源电路来提升检测系统的准确性;最后,搭建电动汽车无线充电平台,对所提检测线圈不完全补偿电动汽车无线充电系统无盲区金属异物检测方法进行实验验证,结果表明,通过选取合理的电压阈值,位于发射线圈上部区域的硬...     

电动汽车双向无线充电系统谐振拓扑分析

针对双向电动汽车无线充电系统,对应用于双向无线电能传输的三种谐振拓扑进行了深入研究,在对其进行建模分析的基础上,结合电动汽车无线充电应用的需求特征,从对参数变化与系统故障的鲁棒性、特定工况下的最大传输功率以及谐振电容电压等方面进行了对比分析。研究表明,双边LCC谐振拓扑在继承了双边LCL优势的同时,亦解决了双边LCL传输功率偏小和直流磁化等问题,在双向电动汽车无线充电应用中具有较强的适用性。同时,搭建了相关实验平台对上述分析进行了验证。     

无线充电电动汽车V2G模式下光储直流微电网能量管理策略

随着电动汽车数量与负荷的激增,构建实现低碳、灵活、稳定的电动汽车充电方式至关重要。该文融合直流微电网以及无线电能传输、车网互联(V2G)等技术,重点研究无线充电电动汽车V2G模式下光储直流微电网能量管理策略。分别建立光伏、无线充电电动汽车、网侧储能数学模型。考虑光伏出功与负载状态,推导无线充电电动汽车最优效率馈网的临界条件,给出超出临界点后网侧储能的出力函数。基于此,定义直流微电网三种运行模式及其边界条件,设计上层控制器实现三种模式间的切换。搭建实验系统,验证不同负荷下所提出的分层控制算法可有效维持母线电压稳定,并且保持光伏系统的最大功率与无线电能传输系统的最优效率运行。     

电动汽车无线充电用方形线圈仿真优化研究

电动汽车由于其节能、环保和低碳等优点受到越来越多的关注。为提高电动汽车无线充电系统传输效率,优化线圈设计,分析了电流源供能的2线圈串串拓扑结构的等效电路模型,并从线圈互感、线圈等效串联电阻以及负载的角度对平面螺旋方形线圈提出了提高充电效率的4个方面,即:最优的线圈匝数、最优的线圈边长、更短的传输距离以及最佳负载,并利用COMSOL软件进行了仿真验证。仿真优化结果表明:线圈边长d与传输距离D存在近似优化关系:d=2D;电动汽车无线充电系统存在一组最优参数:传输距离D=45 cm、线圈边长d=90 cm、线圈匝数N=30和负载RL=80Ω时,系统传输效率达到88.36%,从而实现了电动汽车高效率无线充电。     

无线电能传输技术电磁环境研究综述北大核心

随着无线电能传输技术的发展,其在多个领域显示出巨大的应用前景。虽然目前对无线电能传输技术的传输距离、传输效率、传输功率等关键技术参数有深入研究,但是对其电磁环境的研究还没有得到足够的重视。本文综述了国内外对于无线电能传输电磁环境的研究现状,主要介绍了磁耦合方式的无线电能传输电磁环境的典型案例,梳理了动物实验、三维模型对电磁反应的数值仿真等研究方法,研究结果表明:在植入式医疗设备、电动汽车和消费类电子产品的无线充电领域,无线充电相关产品能够满足已有标准的要求。同时,人体三维模型对电磁反应的数值仿真是研究的常规手段,但未来应更关注无线电能传输应用的长期医学实验或多种技术路线的研究。     

含无线充电电动汽车的孤岛直流微电网运行模式研究

为改进电动汽车充电设施的供电方式,研究了无线充电电动汽车与光储直流微电网的融合,并重点研究充电功率发生变化时微电网的能量管理策略。分别建立光伏、储能、无线充电电动汽车能量传递的数学模型,推导各部分功率、端口电压电流等的关联性,基于此设计了相应的控制器。考虑充电功率需求以及储能电池状态信息,定义微电网运行的3种模式,并提出基于功率缺额判据的能量管理策略。最后搭建实验平台,验证系统的3种运行模式均可实现充电负荷的可靠供电。当充电功率发生变动时,所设计的能量管理策略可实现模式切换,维持母线电压稳定。     

电动汽车高效率无线充电技术的研究进展

发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求,而无线供电(WPT)是未来电动汽车(EV)供电技术的发展趋势。本文介绍了目前常用的三种WPT技术,指出电磁感应式WPT和电磁共振式WPT因为相对效率较高,更适合于EV充电。针对WPT系统,结合高效变换的目的,从拓扑、控制及变压器角度,对目前EV用WPT技术进行了分析,指出非接触变压器成为制约EV用WPT系统高效能量传递的主要瓶颈,进而对变压器高效化需要解决的主要问题和相关研究展开讨论。对于感应式WPT技术,本文就变压器低耦合系数问题和移动充电系统中的"磁通分布不均"问题,进行了相关技术介绍,并提供了解决思路;对于共振式WPT技术,介绍了其研究进展,指出该技术为中等距离的高效能量传输提供了全新的思路,但仍然存在许多技术盲点。     

动态无线能量传输系统中的通信网络

为了解决电动汽车发展中的充电不便及续航不足的问题,在无线能量传输WPT（wireless power transfer）技术研究基础之上,动态无线能量传输DWPT（dynamic wireless power transfer）系统的研究得到了越来越多的关注。建立及时、高速、稳定的数据通信网络,对于分段式DWPT系统中进行车-源协调控制、实现电动汽车电池荷电状态信息和车辆位置信息的实时共享、保证源的及时投切以及确保系统能够提供有序高效的供电过程至关重要。对分段式DWPT系统中的通信网络需求、原边布置与通信网络架构的关系进行了阐述,通过采用原边CAN总线通信及原副边基于SPI接口设置的无线通信模块nRF24L01,构建了实例系统中的网络通信架构,并在构建的小功率DWPT演示平台上对所提通信网络进行了实验验证。     

金属异物对电动汽车无线充电系统影响分析

针对电动汽车在无线充电过程中可能混入金属异物的情况,本文分析了金属异物置于无线充电系统能量传输区域时对无线充电系统参数及效率的影响情况。研究中使用有限元仿真软件建立了电动汽车无线充电系统平面盘式螺旋线圈3D电磁场仿真模型,通过理论分析和有限元仿真结合的方式研究了不同尺寸、不同材质的金属异物对无线能量传输系统的电磁场参数以及效率的影响,并进行了实验验证。研究结果表明,两种金属混入系统会产生涡流效应和磁效应,磁效应和涡流效应会对无线充电系统参数产生不同的影响,降低系统效率;其影响大小与金属的尺寸和位置密切相关;此外,金属的涡流效应会产生涡流损耗并导致温升,对充电系统是极大的安全隐患。     

Experimental Investigation on Magnetic Field Effects of IPT for Electric Bikes

The wireless power transmission (WPT) is increasingly representing a promising technology and an innovative solution, especially for the electric vehicles (EVs) battery charging. The inductive power transfer (IPT) is the standard technology of wireless charging: the energy transfer occurs between two magnetically coupled coils. The IPT-based battery charging is especially convenient for E-bikes and the physiological effects related to the generated magnetic fields should be estimated. In this context, this work presents a 200 W prototype of wireless battery charger for E-bikes. In addition, the measurements regarding the surrounding magnetic field are given in detail in order to evaluate the actual physiological compatibility of the system.     

Wireless power transfer for electric vehicle at the kilohertz band

Wireless power transfer (WPT) technology has attracted considerable attention in recent years, and there have been numerous reports about this technology. This has led to ambiguity over the actual state of WPT technology for electrical vehicles (EV) in Japan. Therefore, this paper describes the WPT technology using the kilohertz band for EVs available in Japan. WPT requirement for EV, circuit topology, coil types, control method, component, foreign object detection, and dynamic charging in Japan are summarized in this study. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

适用于分段式动态无线充电的T型抗偏移补偿拓扑

近十年无线充电和电动汽车技术发展迅速,但是电动汽车发展遇到动力电池瓶颈和充电难问题,因而动态无线充电方案被提出。针对动态无线充电过程中,传输功率容易随偏移距离变化而剧烈波动的问题,从平缓传输功率波动的角度,在保证高传输效率和软开关的前提下,提出适用于动态无线充电的一次侧T型补偿拓扑及其参数设计方法。所设计T型补偿拓扑具有在宽偏移范围内保持传输功率稳定的特性,降低了一次侧控制系统的调控负担,同时还具有空载限流保护功能。最后搭建了500W原理样机,在侧向偏移百分比小于40%范围内,传输功率基本保持不变,表明了该补偿拓扑和设计方法的有效性。     

磁场耦合无线电能传输系统最大功率要素分析

针对无线电能传输系统的功率和效率问题,在特定频率下研究了影响无线电能传输系统最大传输功率的若干要素。以磁场耦合单元为核心建立简化模型,包括发射回路、接收回路,以及两个回路之间的磁场耦合单元。分别研究发射回路电抗、接收回路电抗、互感电抗等在单独变化,或协同变化时,如何影响最大功率传输条件,最大功率值和传输效率等。研究发现,不同情况下的最大功率传输条件之间存在内在联系;在发射回路与接收回路电阻乘积较小时,松耦合谐振才能传输最大功率。此结论不依赖于阻抗补偿形式,并且对感应耦合式和磁场共振式无线电能传输系统均适用。仿真和实验结果与理论分析结果一致。     

Novel Transmitting Power Control Method without Signal Communication for Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance Coupling

Wireless power transfer (WPT) via magnetic resonance coupling has been widely studied for vehicle applications, particularly the stationary and dynamic charging of electric vehicles. Our research group previously proposed a wireless in‐wheel motor to improve the reliability and safety of in‐wheel motors. Transmit power control is necessary to achieve stable WPT. We proposed a control method that uses a feedforward controller on the primary side and a feedback controller on the secondary side. However, the control method may cause shortfalls in the transmission power owing to modeling error, coupling coefficient variation, and signal communication delay. In this paper, we propose a novel feedback control method for the primary side based on conversion ratio estimation. The effectiveness of the proposed method was verified by simulations and experiments on the load current control of a constant voltage load and load voltage control of a constant power load.     

A Proposal of Identifying Optimized Layout of Devices in Electromagnetic Resonant Coupling Type Wireless Power Transfer System

Recently, a system for wireless power transfer (WPT) using electromagnetic resonant coupling has been evaluated and developed for practical applications such as a wireless charge system for automobiles or electronic devices. However, the efficiency of an electromagnetic resonant coupling type WPT system with LC resonators is greatly affected by the layout of the LC resonators allocated in the system. This means that there is an optimum layout for the LC resonators for transferring wireless power at higher efficiency. This paper presents a new method for identifying the optimum layout for the LC resonators in a WPT system. One of the key ideas is that the problem of finding the optimum layout is replaced by the problem of calculating the equivalent current sources in the LC resonators. The amplitude of the equivalent current sources can be calculated to solve ill‐posed system equations by using inverse analysis. First, the proposed method is described. The system equations to be solved are formulated by means of equivalent circuit techniques. Second, the proposed method is applied to a simplified model to identify the optimum layout for the LC resonators in a WPT system. Then, the results found using the proposed method are verified by comparing the ratio of receiving power with the identified layout and without the LC resonator. Finally, in order to verify the validity of the proposed method, the calculated results are compared with the experiment results using the same model.